Reduced-order simulation models for ES-STATCOM based on modular multilevel converters

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dc.contributor.advisorPereira, Heverton Augusto
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4298795970350194
dc.contributor.authorAmorim, William Caires Silva
dc.contributor.referee1Heverton Augusto Pereira
dc.date.accessioned2023-08-07T12:49:17Z
dc.date.available2023-08-07T12:49:17Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractDevido à crescente integração de energias renováveis, os sistemas elétricos de potência podem tornar-se mais suscetíveis a desequilíbrios de tensão da rede, distúrbios de frequência, ressonâncias harmônicas, entre outros. Desta forma, diversos trabalhos apontam que os serviços auxiliares fornecidos pelos sistemas de armazenamento de energia podem minimizar esses problemas. A combinação do armazenamento de energia por baterias eletroquímicas e de compensadores síncronos estáticos (STATCOMs, do inglês Static Synchronous Compensator) figura como uma das propostas para reduzir o custo destes sistemas. Os conversores modulares multiníveis são apresentados como uma boa solução para a realização de sistemas de armazenamento de energia e de STATCOM, devido à sua alta eficiência, modularidade, qualidade da tensão de saída, entre outros. No entanto, existe uma elevada complexidade no estudo da integração de sistemas de armazenamento de energia e de STATCOMs baseado em conversores modulares multiníveis, aplicados a um sistema elétrico de potência. Esta complexidade é devido à presença de conversores eletrônicos de potência, sistema de transmissão, fontes renováveis, transformadores, entre outros, que acarretam em um alto esforço computacional para simulação. Neste sentido, este trabalho apresenta o projeto detalhado de um conversor modular multinível e a implementação de três modelos computacionais de simulação de ordem reduzida. Os modelos computacionais representam conversores modulares multiníveis aplicados em sistemas de armazenamento de energia agregado a um STATCOM, denominado ES-STATCOM (do inglês Energy Storage System - Static Synchronous Compensator). O desempenho destes modelos é comparado em três estudos de casos: análise do processo de carga e descarga do sistema de armazenamento, estudo de suporte de frequência e, finalmente, de suporte de tensão, considerando um conversor modular multinível de 100 MVA conectado a uma rede elétrica de 33 kV. Os resultados revelaram uma alta similaridade do comportamento dinâmico de variáveis como potência ativa, potência reativa, corrente circulante e corrente da rede, entre os modelos de simulação de ordem reduzida. Além disso, os modelos foram comparados em termos da figura de mérito de erro absoluto integral normalizado e do tempo total de processamento, revelando um baixo erro entre os modelos de ordem reduzida, além de uma redução entre 50% a 70% do tempo de processamento total.
dc.description.abstractotherDue to the high penetration of renewable energies, power systems may become more susceptible to grid voltage fault, grid frequency disturbances, harmonic resonances and others. Several studies have pointed out that ancillary services provided by energy storage systems can minimize such kind of problems. The combination of energy storage by electrochemical batteries and static synchronous compensator has been proposed to reduce the cost of these systems. Modular multilevel converters are presented as a good solution for building energy storage systems and static synchronous compensator (STATCOM) due to their high efficiency, modularity and inherent fault tolerance structure. However, the study of the integration of energy storage systems and STATCOM based on modular multilevel converters applied in an electrical power system is complex. This complexity is due to the presence of power electronics, transmission system, renewable sources, transformers, among others, which results in a high computational effort for simulation. In this sense, this work presents the detailed design of a modular multilevel converter and implementation of three reduced-order simulation models. The computational models represent modular multilevel converter applied to energy storage systems aggregated to a STATCOM, called ES-STATCOM (Energy Storage System - Static Synchronous Compensator). The performance of these models are compared in three case studies: analysis of the charging and discharging process of the designed storage system, frequency support and voltage support. A 100 MVA modular multilevel converter connected to a 33 kV grid is considered. The results indicated a high similarity of the dynamic behavior of variables such as active power, reactive power, circulating current and grid current among the reduced-order simulation models. Moreover, the models were compared based on the figure of merit normalized integral of absolute error (NIAE) and the total processing time variables. The results revealed a low error between the reduced-order models and a reduction between 50% to 70% of the total processing time.
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br/handle/123456789/362
dc.language.isoen
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.initialsCEFET-MG / UFSJ
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.subjectConversores de corrente elétrica
dc.subjectProgramação modular
dc.subjectEnergia armazenamento
dc.subjectSincronização
dc.subjectConversores de frequências
dc.subjectReguladores de voltagem
dc.subjectSimulação (Computadores)
dc.titleReduced-order simulation models for ES-STATCOM based on modular multilevel converters
dc.typeThesis
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